金屬塑性變形對微觀結構和力學性能的影響

1、金屬塑性變形對微觀結構和力學性能的影響金屬塑性變形定義 (plastic deformation of metals )金屬零件在外力作用下產生不可恢復的永久變形。單晶體產生塑性變形的原因是原子的滑移錯位。多晶體（實際使用的金屬大多是多晶體）的塑性變形中，除了各晶粒內部的變形（晶內變形）外，各晶粒之間也存著變形（稱為晶間變形）。多晶體的塑性變形是晶內變形和晶內變形的總和。人類很早就利用塑性變形進行金屬材料的加工成形，但只是在一百多年以前才開始建立塑性變形理論。18641868年，法國人特雷斯卡（H.Tresca）在一系列論文中提出產生塑性變形的最大切應力條件。1911年德國卡門（T.von K

2、arman）在三向流體靜壓力的條件下，對大理石和砂石進行了軸向抗壓試驗；1914年德國人伯克爾(R.B?ker)對鑄鋅作了同樣的試驗。他們的試驗結果表明：固體的塑性變形能力(即塑性指標)不僅取決于它的內部條件（如成分、組織）,而且同外部條件(如應力狀態(tài)條件)有關。1913年德國馮·米澤斯(R.von Kises)提出產生塑性變形的形變能條件；1926年德國人洛德(W.Lode)、1931年英國人泰勒(G.I.Taylor)和奎尼(H.Quinney) 分別用不同的試驗方法證實了上述結論。金屬晶體塑性的研究開始于金屬單晶的制造和 X射線衍射的運用。早期的研究成果包括在英國伊拉姆(C.F

3、.Elam)(1935年)、德國施密特(E.Schmidt)(1935年)、美國巴雷特(C.S.Barrett)(1943年)等人的著作中。主要研究了金屬晶體內塑性變形的主要形式滑移以及孿晶變形。以后的工作是運用晶體缺陷理論和高放大倍數的觀測方法研究塑性變形的機理。塑性變形微觀結構變化圖 1塑性變形中產生的滑移塑性變形中最基本的微觀變化是位錯滑移和滑移帶的產生。分為單滑移，雙滑移，多滑移等。另外，還有孿生等現象的產生。圖 2 3.25% Si-Fe單晶體中的平直滑移帶多晶金屬在塑性變形過程中，仍然保持著連續(xù)性。即每個晶粒的變形都要受到相鄰晶粒的制約，并與相鄰晶粒的變形相協調。晶粒越細，屈服強度

4、越高金屬塑性變形的力學性能影響鋼經形變處理后，形變奧氏體中的位錯密度大為增加，可形變量愈大，位錯密度愈高，金屬的抗斷強度也隨之增高。隨著形變程度增加不但位錯密度增加而且位錯排列方式也會發(fā)生變化由于變形溫度下，原子有一定的可動性，位錯運動也較容易進行，因此在形變過程中及形變后 停留時將出現多邊化亞結構及位錯胞狀結構。當亞晶之間的取向差達到幾度時，就可象 晶界一樣，起到阻礙裂紋擴展的作用，由霍爾一派奇公式，晶粒越小則金屬強度越大。 由于亞結構的出現，相變時馬氏體成核、長大過程均受到亞晶界的影響，生長的馬 氏體片尺寸d減小，從而使相界增加，材料強度提高。由于形變奧氏體內位錯密度增加，亞結構細化，從而

5、為碳化物析出提供了處所，為碳的擴散開辟了通道，有利于碳化物彌散析出，起到了彌散硬化的作用，其強化效果與 析出粒子間距成反比:綜上所述，形變處理的強化效果是位錯強化、細晶強化、彌散硬化和相變強化的 綜合表現。超塑性變形對金屬力學性能的影響材料在外力的作用下，產生變形，而外力過大會產生大素性變形，而這樣的變形對材料的性能產生了巨大的影響，為了更加準確的研究材料的性能，將材料表面細化至納米化或超細晶化。強塑性變形金屬表面納米化在外加載荷的重復作用下，材料表面的粗晶組織通過不同方向產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。由表面機械加工處理導致的表面自身納米化的過程包括：材料表面通過局部強烈塑性變形而產

6、生大量的缺陷，如位錯、孿晶、層錯和剪切帶；當位錯密度增至一定程度時，發(fā)生湮沒、重組，形成具有亞微米或納米尺度的亞晶，另外隨著溫度的升高，表面具有高形變儲能的組織也會發(fā)生再結晶，形成納米晶；此過程不斷發(fā)展，最終形成晶體學取向呈隨機分布的納米晶組織。樣品表面采用高能振動噴丸技術來實現納米化。圖1是高能噴丸裝置示意圖。工作時，整個容器作垂直振動，使彈丸從各方向與樣品下表面發(fā)生大能量碰撞，使得樣品表面產生強烈塑性變形而導致晶粒細化。形變誘發(fā)的納米化機理：高層錯能立方系純鐵的塑性變形方式為位錯運動，在外力的作用下晶粒細化的過程包括：在粗晶內部形成高密度的位錯墻和位錯纏結；通過不斷地吸收位錯，位錯墻和位錯

7、纏結逐漸演變成小角度亞晶界；小角度亞晶界繼續(xù)吸收位錯而轉變成大角度亞晶界；亞晶內部重復上述過程，使晶粒尺寸不斷減小、取向差不斷增大，最終形成等軸狀、取向呈隨機分布的納米晶組織。中等層錯能立方系金屬純銅的變形方式主要是位錯運動，隨著應變量的增加依次形成了由較厚位錯墻分割的等軸狀位錯胞、晶粒尺寸逐漸減小，而取向差逐漸增大的亞微晶和取向呈隨機分布的納米晶。機械孿生只發(fā)生在表面附近應變量較大的、晶體學取向不適合位錯運動的晶粒中，其作用主要是調整晶粒取向，使晶粒碎化易于以位錯運動方式進行。較低層錯能立方系奧氏體粗晶內部通過位錯湮滅和重組形成位錯胞；應變量和應變速率的增加誘發(fā)機械孿生，形成片層狀孿晶；孿晶

8、內部通過位錯的運動使顯微組織逐漸由片層狀向等軸狀轉變，同時晶粒尺寸逐漸減小、取向差逐漸增大；最終形成等軸狀、取向呈隨機分布的納米晶組織。低層錯能立方系不銹鋼的位錯在面上滑移、并相互交割形成網格結構；單系孿晶形成并逐漸過渡到多系孿晶；多系孿晶相互交割使晶粒尺寸不斷減小，并在孿晶交叉處形成馬氏體相；孿晶系增多與孿晶重復交割 強度加大使得碎化晶粒的尺寸進一步減??；最終在大應變量、 高應變速率等作用下，形成等軸狀、取向呈隨機分布的馬氏 體相納米晶組織。對于立方系金屬，高層錯能材料的塑性變 形一般通過位錯運動；而具有低層錯能的材料則為機械孿生； 對于層錯能介于二者之間的材料，位錯滑移和機械孿生兩種 方式均可發(fā)生。對于結構對稱性較低的金屬，由于滑移面較 少，即使在層錯能較高的材料中（如鈦）也存在著機械孿生。 急劇塑性變形制備納米/超細晶材料急劇塑性變形是具有強烈的細化晶粒的能力，甚至可以將晶體加工成非晶。急劇塑性變可以在低溫下使金屬材料的 微觀組織得到明顯細化，從而大大提高其強度和韌性，近年 來的研究表明，SPD法可以制備出具有亞微米級甚至納米級 微觀結構的金屬材料，因而日益受到人們的關注。急劇塑性 變常用的工藝形主要包括等通道角擠壓法(ECAP)、高壓扭轉 法(SPTS)、累積軋焊法(ARB)、多向鍛造(MF)多向壓縮(MC) 和反復彎曲平法(RCS)等。急劇大塑性變形法